Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）團簇的幾何結構、光電性質及磁性

智麗麗， 李艷青， 楊蓮紅， 趙高峰

（1.伊犁師范學院新疆凝聚態相變與微結構實驗室，伊寧 835000；2.新疆昌吉學院物理系，昌吉 831100；3.山東大學晶體材料國家重點實驗室，濟南 250100；4.河南大學物理與電子學院，開封 475004）

Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）團簇的幾何結構、光電性質及磁性

智麗麗1，2， 李艷青2，3， 楊蓮紅2， 趙高峰4

（1.伊犁師范學院新疆凝聚態相變與微結構實驗室，伊寧 835000；2.新疆昌吉學院物理系，昌吉 831100；3.山東大學晶體材料國家重點實驗室，濟南 250100；4.河南大學物理與電子學院，開封 475004）

基于密度泛函理論中的廣義梯度近似系統研究Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）團簇的幾何結構、光電性質和磁學性質.結果表明：Fe，Co原子相對于Ni原子更易于在（SiO2）3團簇上聚集；通過分析團簇的分裂途徑及其產物，發現穩定性較好的氧化硅是一種很好的用于負載過渡金屬“島膜”的載體材料；Mn（SiO2）3團簇的能隙恰好位于近紅外光譜范圍內.通過磁性分析發現，該復合團簇的磁矩主要局域在過渡金屬原子周圍，而且，Fe2（SiO2）3和Co3（SiO2）3具有相對較大的磁矩，這主要源于過渡金屬原子的d軌道間相互耦合.能隙和磁性兩方面性質進一步肯定了二氧化硅磁性復合材料在醫學界被用作光動力靶向治療的可觀前景.

Mn（SiO2）3團簇；幾何結構；光電性質；磁性

0 引言

隨著納米技術的發展，人們發現納米量級的物質具有與塊體完全不同的性質，特別是作為團簇分子其物理化學性質隨團簇的尺寸會發生明顯的變化.硅的氧化物是地球上含量和用途較廣的物質之一，尤其是二氧化硅在微電子、光通訊、和薄膜技術等許多領域中有著廣泛的用途，因此，二氧化硅團簇和納米顆粒方面的研究在近幾年成為熱點［1－3］.有關報道指明（SiO2）n（n≤6）團簇在其小尺寸時，其基態結構是鏈狀的構型［4－6］.

目前，金屬－氧化硅聚合物也是科學界關注的焦點，原因在于這些聚合物有著獨特的性能，如：孫強等人［7］研究了Au原子與二氧化硅團簇的相互作用，他們指出該團簇體系可吸收近紅外光，并將光轉化為熱量從而來殺死癌細胞.本課題組成員分別計算了Cu和Ag原子在二氧化硅團簇上的吸附，結果表明貴金屬吸附二氧化硅均可以吸收近紅外光，從而被用于癌細胞的治療中［6，8］.最近研究表明，（Fe＼Co＼Ni）／SiO2復合納米微球不僅具有高的化學穩定性，大的比表面積，超順磁性，還具有良好的生物相容性［7］.這些性能使其具有極廣闊的應用前景，因而在核酸提取，藥物靶向等生物醫學領域有著廣泛的應用.值得關注的是：李雅麗［9］等人制備的二氧化硅磁性復合顆粒類似于貴金屬二氧化硅復合材料，也可以吸收可見－近紅外光，而且該微粒還具有超順磁性，因此，該復合顆粒有可能被用于光動力靶向治療中.據有關報道指出Ni／SiO2納米復合材料也有著獨特的光學和磁學性能［10］.

鑒于（Fe＼Co＼Ni）／SiO2復合材料獨特的光學和磁學特性，本文采用基于密度泛函理論中的廣義梯度近似，從分子水平上系統地研究了Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）團簇的幾何結構、光電性質及磁學性質，這將有利于從微觀上理解這一復合體系所具有的光電磁特性，以及過渡金屬與二氧化硅之間的相互作用.本文以（SiO2）3作為基體，原因在于實驗上已經成功合成了（SiO2）3團簇分子［11］，為設計新型納米M／SiO2復合材料提供有力的的理論依據.

1 計算方法

計算采用密度泛函方法，選用廣義梯度近似（GGA）泛函，利用Dmol3計算程序包完成［12］.在電子結構計算中，采取全電子和包括d極化的雙數基組，交換關聯相互作用采用GGA-PW91方法自洽場，收斂標準為2.625 5×10－2kJ·mol－1.為了加速自洽場收斂我們使用了DIIS方法，軌道計算中使用的Smearing標準為13.125 kJ·mol－1.在幾何優化過程中，力的收斂標準是52.5 kJ·mol－1·nm－1，位移收斂標準5.0×10－4nm，能量收斂標準為2.625 5×10－2kJ·mol－1，整個計算過程選取fine精確的計算標準.

為了驗證方法的可靠性，在相同條件下，首先計算了O2、Si2、Fe2、Co2、Ni2二聚體以及Si-O、Fe-Si、Co-Si、Ni-Si的鍵長，并與已有的實驗值或理論報道相對照，如表1所示，計算結果與已有報道吻合較好，表明我們所選計算方法是合理的.

表1 O2、Si2、Fe2、Co2、Ni2二聚體及Si-O、Fe-Si、Co-Si、Ni-Si的鍵長（單位：?）Table 1 Bond length（in ?）of O2，Si2，Fe2，Co2，Ni2and Si-O，Fe-Si，Co-Si，Ni-Si

2 結果與討論

2.1 幾何結構

2.1.1 M（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni）

圖1給出了（SiO2）3和M（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni）團簇的基態結構，其中，所有幾何結構圖中還標出了相應鍵長和原子的Mulliken電荷分布（括號中數值）.如圖1所示，M（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni）團簇有著非常相似的基態結構，單個過渡金屬原子均吸附在（SiO2）3末端的Si原子上，這是由于中間的Si原子是滿配位的，而末端的兩個Si原子配位數未滿，因此，末端Si原子上的懸掛鍵為過渡金屬Fe，Co，Ni原子的吸附提供了合適的位置.有趣的是單個過渡金屬原子在（SiO2）3團簇上吸附的方式和單個貴金屬原子在（SiO2）3團簇上吸附方式一致［6－8］.

從圖1可以看出，Fe－Si，Co－Si，Ni－Si的鍵長分別是2.177 ?，2.144 ?，2.130 ?，Fe－O，Co－O，Ni－O的鍵長分別是1.818 ?，1.826 ?，1.809 ?，M（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni）團簇中與過渡金屬原子相鄰的末端Si－O鍵長分別是1.661 ?，1.649 ?，1.630 ?，較單純（SiO2）3團簇末端Si－O鍵長（1.520 ?）均有所增加.在自由團簇中，由于處在不等價空間位置的原子感受到不同的勢場，一部分原子將失去電荷，另一部分原子將得到電荷，從而出現電荷轉移現象.Fe，Co，Ni分別失去了0.378 e，0.250 e，0.261 e，這些電荷主要引起與其臨近的Si，O原子電荷的重新分布.

2.1.2 M2（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni）

當第二個過渡金屬原子被置于M（SiO2）3團簇的不同位置，經幾何優化后發現，能量最低態中該原子吸附在原有的金屬原子上，而且，三種團簇的基態結構非常相似（如圖1所示）.其中，Fe－Fe，Co－Co，Ni－Ni鍵長分別是2.192 ?，2.226 ?，2.239 ?，Fe－Si，Co－Si，Ni－Si的平均鍵長為2.391 ?，2.362 ?，2.344 ?.Fe2（SiO2）3中第二個Fe原子失去0.024 e，相對于Fe（SiO2）3團簇Fe2（SiO2）3中第一個Fe原子失去的電荷數幾乎沒變.Co2（SiO2）3中第二個Co原子得到0.033 e，Ni2（SiO2）3中第二個Ni原子得到較少的電子（0.017 e），在Ni2（SiO2）3中參與作用的主要仍是第一個Ni原子，該原子失去更多的電子，表明Fe，Co原子相對于Ni原子更易于在（SiO2）3團簇上聚集.

2.1.3 M3（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni）

如圖2所示，Fe3（SiO2）3和Co3（SiO2）3團簇的基態構型相似，第三個過渡金屬原子與前兩個過渡金屬原子相結合，三個過渡金屬原子形成了一個三角形吸附在（SiO2）3團簇上.不同的是Ni3（SiO2）3中的第三個Ni原子吸附在另一端的Si原子上，進一步表明二氧化硅團簇上Fe，Co原子比Ni原子更易于形成“島膜”，這是由于Ni原子的外層電子排布為3s23p63d10的閉殼層排布，不利于與更多金屬原子參加團聚作用，而Fe，Co原子的外層電子排布均為開殼層排布，易于發生電子間的相互轉移，從而促進了更多外來原子的聚集.

2.1.3 混作和套種 混作和套種是指在同一個有機農作物種植環境中多樣化種植有機農作物，以此防治害蟲對其侵害。例如，在棉花田里種植高粱等能控制棉鈴蟲產卵的農作物，以實現集中誘殺害蟲的目的，保護棉花作物不受棉鈴蟲的侵害。

圖2 M3（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni）團簇的基態結構（黑色球為O，灰色球為Si）Fig.2 Ground state structures of M3（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni）clusters

為了研究團簇的穩定性，我們給出Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）團簇的平均結合能，平均結合能的定義是團簇的結合能除以團簇的總原子數，其表達式：

由表2可以看出，三種不同過渡金屬元素和不同原子數目的原子吸附在氧化硅團簇上構成的復合體幾乎具有相近的平均結合能（4.810 eV～5.354 eV），這與它們具有非常相似的幾何結構有關，表明氧化硅是一種很好的用于負載過渡金屬“島膜”的載體材料.

表2 Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）團簇的優選分裂途徑、分裂能（Ed）、平均結合能（Eb）、能隙、團簇總磁矩和金屬原子磁矩（Mn）Table 2 Optimal disaggregated way，disaggregated energy，average binding energy，energy gap and moment of Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）clusters

通過分析團簇的分裂途徑及其產物，便于我們理解表面吸附或沉積等現象.表2給出了Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）團簇的優選分裂途徑及其相應的分裂能，分裂能定義：如果分裂途徑為AmBn→Am＋Bn，則分裂能定義為Ed＝E（Am）＋E（Bn）－E（AmBn），其中，E（Am）、E（Bn）和E（AmBn）均代表相應團簇的基態能量.Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）團簇的優選分裂產物中均包含有（SiO2）3團簇，另一種產物是過渡金屬原子的聚集體，這表明鏈狀的（SiO2）3團簇具有很好的穩定性，這與之前的文獻報道相一致［4］.而且，隨著金屬原子數目的增加，聚集體Mn內部的團聚力不斷增加，這將有利于過渡金屬“島膜”的生長.

團簇一個很重要的電子性質就是其能隙，即電子最高占據分子軌道（HOMO）與最低未占據分子軌道（LUMO）之間的能量差，如表2所示，除Con（SiO2）3（n＝1－3）之外，Mn（SiO2）3（M＝Fe，Ni；n＝1－3）團簇隨著金屬原子數目的增加，能隙不斷減小，發生紅移現象.而且，從整體看，該復合團簇的能隙介于0.786 eV～1.131 eV，恰好位于近紅外光譜范圍內，與已有的貴金屬吸附在（SiO2）n團簇上結果一致［6－8］，說明Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）團簇可以吸收近紅外光，并將光轉化為熱量來殺死癌細胞，可能是一種治療腫瘤和癌癥的新型功能材料，同時，Fe，Co，Ni均是人體不可缺少的微量元素，我們的計算結果進一步肯定了過渡金屬—二氧化硅磁性復合材料在醫學界被用作光動力靶向治療的可觀前景.

為了進一步分析過渡金屬在（SiO2）n團簇上聚集的機理，圖3和圖4分別給出了Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）團簇分子的前線軌道分布，由圖可知，電子云主要密集在過渡金屬原子周圍，這些原子將有利于與外來原子發生相互作用，因此，Fe，Co，Ni原子均在（SiO2）n團簇上發生了聚集現象，與前面的基態結構圖保持一致.但是，Ni原子在二氧化硅上的吸附狀態卻不同于Fe和Co，由圖4可知Ni2（SiO2）3的HOMO軌道發生凹陷，即Ni原子的d軌道發生了畸變，此時，第三個Ni原子主要受懸掛鍵的影響吸附到另一端的Si原子上.總體來看，過渡金屬原子在（SiO2）n團簇上的吸附不僅受懸掛鍵的影響，還受過渡金屬原子外層電子排布和分子前線軌道分布的影響.

為了進一步研究該復合體系的電子性質，計算了Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）團簇的分波態密度，圖5是Con（SiO2）3（n＝1－3）團簇的自旋分波態密度，從總體來看，在費米面附近起主要貢獻的是p、d軌道，而且，隨著過渡金屬原子數目的增加，d軌道貢獻不斷增強，p軌道卻顯著下降，表明該分子軌道主要是由過渡金屬原子的3d軌道提供的.

圖3 Fen（SiO2）3和Con（SiO2）3（n＝1－3）團簇的HOMO和LUMO軌道Fig.3 HOMO和LUMO orbitals of Fen（SiO2）3和Con（SiO2）3（n＝1－3）clusters

圖4 Nin（SiO2）3（n＝1－3）團簇的HOMO和LUMO軌道Fig.4 HOMO和LUMO orbitals of Nin（SiO2）3（n＝1－3）clusters

2.3 磁學性質

對于含有過渡金屬的團簇，我們關心的另外一個問題是團簇的磁性.表2給出了基態Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）團簇的總磁矩和過渡金屬原子的磁矩，原來不具有磁性的氧化硅團簇在吸附有過渡金屬后變成了很好的磁性團簇，表明Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）團簇內部出現了顯著的自旋極化現象，而且，由表2可知團簇的磁矩主要是由過渡金屬原子提供的.

Fe（SiO2）3中Fe原子磁矩近似于鐵塊體材料所具有得磁矩（2.22 μB［13］），Fe2（SiO2）3中兩個Fe原子磁矩均大于鐵塊體材料的磁矩，使該團簇具有6 μB的磁矩，實驗已經表明由鐵磁性原子（Fe，Co，Ni）構成的團簇體系的磁矩遠大于其塊體材料的磁矩［14－15］.Fe3（SiO2）3的總磁矩為4 μB，第三個Fe原子出現了反鐵磁性（磁矩為－3.027 μB）.Co2（SiO2）3和Co3（SiO2）3團簇也具有較高的磁矩分別是4 μB、7 μB，其中，該復合團簇中每個Co原子的磁矩均大于鈷塊體材料的磁矩（1.72 μB［13］）.Fe2（SiO2）3和Co3（SiO2）3具有較大的總磁矩可能是由于過渡金屬原子的d軌道之間發生顯著耦合，加強了電子的自旋極化，與圖3中展示的電子云分布情況保持一致.

值得注意的是Ni（SiO2）3團簇出現磁矩淬滅現象，主要原因是其中的Ni原子磁矩為零，而且，該團簇中其它原子的磁矩也均為零，Ni2（SiO2）3和Ni3（SiO2）3團簇的磁矩都是2 μB，吸附不同數目的Ni原子卻導致相同的磁矩，主要是因為Ni3（SiO2）3中吸附在末端的第三個Ni原子發生了磁矩淬滅現象.

圖5 Con（SiO2）3（n＝1－3）團簇的分波態密度Fig.5 Partial density of states for Con（SiO2）3（n＝1－3）clusters

為了進一步研究過渡金屬－二氧化硅復合團簇的磁學性質，在考慮不同構型和不同自旋多重度的情況下，給出了Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝2－3）團簇的鐵磁（FM）和反鐵磁（AFM）能量差，對于M2（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni）團簇來說，分別是0.638 eV、0.490 eV、1.074 eV，M3（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni）相應能量差為0.249 eV、0.265 eV、0.299 eV，這表明M2（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni）相對于M3（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni）團簇的鐵磁性更加穩定.

3 結論

基于密度泛函理論中的廣義梯度近似系統地研究了Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）團簇的幾何結構、電子性質和磁學性質.通過對基態結構、電子性質和磁學性質的分析，主要結論如下：

1）Fe，Co原子相對于Ni原子更易于在（SiO2）3團簇上聚集，而且，過渡金屬原子在（SiO2）n團簇上的吸附不僅受懸掛鍵的影響，還受過渡金屬原子外層電子排布和分子前線軌道分布的影響.

2）通過平均結合能、優選分裂途徑及分裂能計算，從理論上證明了鏈狀的（SiO2）3團簇具有很好的穩定性，是一種很好的用于負載過渡金屬“島膜”的載體材料.

3）Mn（SiO2）3（M＝Fe，Ni；n＝1－3）團簇的能隙介于0.786 eV～1.131 eV，恰好位于近紅外光譜范圍內，表明該復合材料可能是一種治療腫瘤和癌癥的新型醫用功能材料.

4）Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）團簇內部出現了顯著的自旋極化現象，原來不具有磁性的氧化硅團簇在吸附有過渡金屬后變成了很好的磁性團簇，該磁矩主要局域在過渡金屬原子周圍，Fe2（SiO2）3和Co3（SiO2）3具有相對較大的磁矩（6 μB、7 μB）.

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Structural，Photoelectric and Magnetic Properties of Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）Clusters

ZHI Lili1，2，LI Yanqing2，3，YANG Lianhong2，ZHAO Gaofeng4
（1．Xinjiang Laboratory of Phase Transitions and Microstructures of Condensed Matters，Yili Normal University，Yining 835000，China；2．Department of Physics，Changji College，Xinjiang，Changji 831100，China；3．State Key Laboratory of Crystal Materials，Shandong University，Jinan 250100，China；4．School of Physics and Electronics，Henan University，Kaifeng 475004，China）

Equilibrium geometries，electronic and magnetic properties of Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）clusters are systematically studied employing density functional theory with a generalized gradient approximation.It shows that Fe and Co atoms are easier to congregate on（SiO2）3cluster than Ni atoms.It is found that stabler silica is an excellent matrix materials to carry islands of transition-metals.Energy gaps of Mn（SiO2）3（M＝Fe，Co，Ni；n＝1－3）clusters lie in near infrared radiation region.In analysis of magnetism，it is found that their magnetic moments are mainly located on transition-metal atoms.Fe2（SiO2）3and Co3（SiO2）3have greater magnetic moments，owing to coupling between d orbits of transition-metal atoms.Energy gap and magnetic property affirm a considerable foreground of magnetic-mulriple silica used for photodynamic target therapy in medical stage.

Mn（SiO2）3cluster；geometrical structure；photoelectric property；magnetism

date： 2013－12－03；Revised date： 2014－04－06

O561

A

2013－12－03；

2014－04－06

新疆維吾爾自治區高校科研計劃資助（XJEDU2013S42）；新疆凝聚態相變與微結構實驗室開放課題基金（XJDX0912-2010-05和XJDX0912-2010-07）及昌吉學院院級課題（2013YJYB002）資助項目

智麗麗（1984－），女，研究生，講師，主要從事團簇結構和電子性質研究，E-mail：zhilili2010＠sina.com

1001-246X（2014）06-0727-08